【正文】 速性能較優(yōu)異，而且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)的可靠性高等優(yōu)點，SRD產(chǎn)品已經(jīng)廣泛或者開始應(yīng)用于機(jī)床設(shè)備、泵類負(fù)載、油田、紡織設(shè)備、家用電器、電動車與驅(qū)動、煤炭工業(yè)、高速運行應(yīng)用場合等。 研究的基本內(nèi)容學(xué)習(xí)和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的結(jié)構(gòu)和工作原理。學(xué)會用MATLAB軟件，并進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運行仿真。使用MATLAB，編寫和調(diào)試開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子上既沒有繞組也沒有永磁體，而定子上繞有集中繞組，并且徑向相對的兩個繞組可以串聯(lián)在一起或者并聯(lián)在一起，它們稱為“一相”。常見的搭配有三相6/4極、三相6/8極、三相12/8極，四相8/6極、四相8/10極等。圖21 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)圖開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)由雙凸極磁阻電機(jī)、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器（或非直接位置檢測器）和控制器組成【7】。而功率變換器對于整個系統(tǒng)的運行性能具有至關(guān)重要的作用，它主要具有兩個方面的作用： 連接直流電源或者整流電路與電機(jī)繞組，為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能提供足夠的勵磁，同時通過對于開關(guān)的控制來實現(xiàn)不同的控制目標(biāo)；連接電機(jī)繞組與負(fù)載或者電網(wǎng)，為電機(jī)繞組提供儲能的回饋電路。而位置傳感器的作用是負(fù)責(zé)捕獲位置信號，它是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的自同步運行與系統(tǒng)控制的重要基礎(chǔ)。 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理SRG的工作原理遵循“磁阻最小原理”—磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。用同樣的方法給下一相通電，連續(xù)不斷地按照順序給電機(jī)各相勵磁，作用在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行【8】。轉(zhuǎn)子有8個極。它的定子和轉(zhuǎn)子呈雙凸極形狀，極數(shù)不相等，都由疊片構(gòu)成。電機(jī)每相繞組遇到的磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極的中心線與定子磁極的中心線對準(zhǔn)或錯開而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極中心線與定子磁極中心線重合時，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽中心線對準(zhǔn)定子磁極中心線時，相繞組電感最小。開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運行和電動運行兩者從本質(zhì)上看都是開關(guān)磁阻電機(jī)在不同控制策略下的表現(xiàn)出來的不同特性。因此，合適的控制每相通電的開關(guān)時刻，可以使開關(guān)磁阻電機(jī)運行在電動或發(fā)電的工作狀態(tài)。由此可見，開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運行的本質(zhì)與一般的發(fā)電機(jī)不一樣，它的勵磁過程和發(fā)電過程是作為周期性分時控制的。 開關(guān)磁阻電機(jī)的有效發(fā)電條件開關(guān)磁阻電機(jī)處于發(fā)電運行時其輸出的功率是發(fā)電功率和勵磁功率的差，為了能夠輸出更大的功率，發(fā)電區(qū)域的電流需要足夠大。當(dāng)它的勵磁電流不變時，如果轉(zhuǎn)速ω過低，則有L（di/dt)0，產(chǎn)生的電流將下降，并且下降的將越來越快。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效的發(fā)電運行，需要在發(fā)電區(qū)域的起始處滿足 （22）式中：Ic為勵磁電流。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運行的自然輸出特性實際上，處于控制參數(shù)不變的情況下，勵磁電流Ic也會受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，勵磁電流為： （23）其中：θw為t2對應(yīng)的位置。式（24）說明了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運行在低速的時候容易出力，這就是它的自然特性，也是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電運行的優(yōu)點之一。當(dāng)勵磁的強(qiáng)度達(dá)到一定的程度的時候，鐵芯進(jìn)入飽和的工作狀態(tài)，將會減小，此時將會影響到發(fā)電。從這個角度看，開關(guān)磁阻電機(jī)的速度越高就會越有利于它的發(fā)電運行，低速發(fā)電的時候效率會偏低。圖23 一相繞組等效電路圖由于電流源具有內(nèi)阻大、易于并聯(lián)等特性，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)更為靈活。對于多相的開關(guān)磁阻電機(jī)而言，由于它的繞組具有電流源的特性，所以即使是在缺相的條件下，它仍然能正常工作，因而開關(guān)磁阻電機(jī)具有很高的容錯性，綜合以上的考慮選擇三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，可能夠?qū)崿F(xiàn)啟動/發(fā)電的功能。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運行的特點通過對于開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運行的過程的分析，能夠得到它的發(fā)電運行具有的以下幾個特點：（1） 由于開關(guān)磁阻電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組共同使用同一套繞組，它的勵磁和發(fā)電過程必須采用周期性分時控制。而且在低速的時候發(fā)電輸出的動態(tài)性能會比較差，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)輸出的動態(tài)性能會越來越好。發(fā)電運行同樣能夠工作在缺相的狀態(tài)，具有良好的容錯性，因此發(fā)電運行具有很高的可靠性，優(yōu)于其它種類的發(fā)電機(jī)。（4） 開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運行具有比較好的調(diào)節(jié)性，它的可控參數(shù)比較多【1】。首先介紹了SRG的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，論述和分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運行狀態(tài)。9第3章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程和數(shù)學(xué)模型第3章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程及其數(shù)學(xué)模型SRG運行理論與任何電磁式機(jī)電裝置運行理論在本質(zhì)上沒有區(qū)別，其主要有以下方程式組成，由此可以建立SRG的數(shù)學(xué)模型。其中的一相繞組的等效電路如圖31所示。圖31（b）中，當(dāng)開關(guān)管 TkTk2關(guān)斷，相電流通過二極管DkDk2續(xù)流，電機(jī)繞組處于發(fā)電狀態(tài)，此狀態(tài)下相繞組的電壓方程為： （32）在電壓方程中，等式右端第一項為第 k 相回路中的電阻壓降；第二項是由相電流變化引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，稱為變壓器電動勢；第三項是由轉(zhuǎn)子位置角改變引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，稱為運動電動勢【9】。由于 SRG 各相之間的互感相對于自感來說很小，為了便于分析，一般忽略各相之間的互感。 機(jī)械運動方程根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出SRG在原動機(jī)轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運動方程為： （34）式中： T1—原動機(jī)轉(zhuǎn)矩； Te—電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； D—阻尼系數(shù)； J—電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。 電動勢平衡方程由電路的基本定理寫出電機(jī)單相電動勢平衡方程式： （38）其中Us為母線電壓，i為瞬時相電流，θ為轉(zhuǎn)子位置角，R為繞組電阻，ψ( i,θ)為磁鏈，其大小與電流i和轉(zhuǎn)子位置角θ 有關(guān)。 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立SRG的數(shù)學(xué)模型比較困難，由于電機(jī)的磁路飽和、渦流、磁滯效應(yīng)等因素產(chǎn)生的非線性影響著電機(jī)的性能，所以很難進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。因此，在性能分析求解數(shù)學(xué)模型時應(yīng)當(dāng)在實用和理論之間折衷處理。（1） 理想線性模型 若不計電機(jī)磁路飽和的影響，相電感與相電流的大小無關(guān)，且忽略磁通的邊緣效應(yīng)以及所有的損耗，此條件下的電機(jī)模型就是理想線性模型，相電感僅僅是轉(zhuǎn)子位置角的分段線性函數(shù)。但求解的誤差較大，精度較低。一般可用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線，一段為非飽和段，另一段為飽和段。但精確性仍然較差，計算誤差同樣不盡人意。這種方法相對于理想線性模型和準(zhǔn)線性模型，精度大大提高，具有精確、高效、實用的特點，特別適合于仿真研究和實時控制。這種方法較為直接，也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于求解瞬態(tài)問題【9】【11】。由于電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，故難以對開關(guān)磁阻電機(jī)的運行進(jìn)行有效的分析。 相電感的數(shù)學(xué)模型圖32 相電感線性模型SRG在原動機(jī)帶動下沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，θ1為轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置?；陔姍C(jī)綜合性能的考慮，其轉(zhuǎn)子極弧βr通常要求大于定子極弧βs，因此在θ2～θ3區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極全部重疊，相電感保持在最大值 Lmax。θ3為轉(zhuǎn)子凸極后沿與定子磁極后沿相遇的位置，至此，相電感開始線性下降，直到θ4處降為最小值 Lmin，θ4為轉(zhuǎn)子凸極后沿與定子磁極前沿重合處。θa為轉(zhuǎn)子凹槽中心與定子磁極軸線重合的位置，稱為不對齊位置。相電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化關(guān)系如圖32所示【1】【9】。 相磁鏈的數(shù)學(xué)模型當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)由恒定直流電源Us供電時，忽略繞組電阻壓降iR，則式（38）可簡化為： （310） 式中＋Us為繞組勵磁階段的外加電壓，－Us為主開關(guān)管關(guān)斷后續(xù)流階段所加電壓。則ψo(hù)ffmax=ψ，磁鏈分段線性解析式為： （311）式中θon、θoff分別表示開通角和關(guān)斷角。圖33 磁鏈線性模型 本章小結(jié)本章主要講述了開關(guān)磁阻電機(jī)的各個方程，從開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運行的勵磁階段和發(fā)電階段的工作狀態(tài)研究了它的電路方程，并由此導(dǎo)出了相關(guān)的磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、電動勢平衡方程和機(jī)械運動方程，為開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立創(chuàng)造條件。17第4章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)第4章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng) 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的不對稱功率變換器SRG的不對稱橋式功率變換器有自勵模式和他勵模式之分，兩者的主要區(qū)別在于電源的連接方式不同。 自勵模式如圖41所示，Us是起勵電源，給SRG提供初始勵磁。以A相為例，當(dāng)開關(guān)管TaTa2導(dǎo)通時，電路處于勵磁狀態(tài)，電容C對A相繞組進(jìn)行勵磁，同時給負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管TaTa2關(guān)斷時，電路處于發(fā)電狀態(tài)，A相電流通過二極管DaDa2續(xù)流，繞組電流方向保持不變，但直流母線電流方向相反，一方面給電容C充電，另一方面給負(fù)載供電【9】【11】。 他勵模式如圖42所示，Us為勵磁電源，始終給SRG提供勵磁；電容C起著儲能和穩(wěn)壓的雙重作用。圖42 他勵模式下的不對稱功率變換器他勵模式中，勵磁回路與發(fā)電回路彼此獨立。 不對稱功率變換器的工作狀態(tài)隨著各相橋臂開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，每相繞組有三種工作狀態(tài)：勵磁狀態(tài)，續(xù)流狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。圖43 自勵模式功率變換器的工作狀態(tài)圖43(a)中，A相上下兩個開關(guān)管TaTa2同時導(dǎo)通，此時加到相繞組上的電壓為正的直流電壓Uc，相繞組處于勵磁狀態(tài)。其電壓方程為： （41）式中：Ra—A相繞組的電阻； ia—A相繞組的電流； La—A 相繞組的電感。其電壓方程為： （42）圖43(c)中，A相上下兩個開關(guān)管TaTa2同時關(guān)斷，此時加到相繞組上的電壓為負(fù)的直流電壓Uc，相繞組處于發(fā)電狀態(tài)，相電流通過二極管DaDa2續(xù)流。其電壓方程為： （43）如式(43)，在發(fā)電狀態(tài)，若運動電動勢小于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流下降；若運動電動勢等于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流保持不變；若運動電動勢大于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流上升，這是理想的相電流波形，有利于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的提高【9】【13】。但是，開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的電磁過程依然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定律等基本電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上。 角度位置控制（APC）APC方式是指在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上的主開關(guān)器件的開通角θon和關(guān)斷角θoff，來改變繞組的通電和斷電時刻，來調(diào)節(jié)相電流的波形。由于只改變開通角θon可改變電流波形的寬度、峰值和有效值大小和電流波形與電感波形的相對位置，從而能夠改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；然而關(guān)斷角θoff一般不影響電流的峰值，但是它能改變電流波形的寬度還有電流波形與電感波形的相對位置。APC的具體實現(xiàn)是在θ=θon時，使開關(guān)器件導(dǎo)通，在θ=θoff時使開關(guān)器件關(guān)斷。但是θon的過小或者θoff的過大反而會使SRG的發(fā)電能力降低，因此在控制時應(yīng)該找到一個合適的值使其具有盡量大的發(fā)電能力。 電流斬波控制（CCC）電機(jī)在低速運行時，特別是在啟動時，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的壓降很小，它的相電流上升得很快，為了避免電流脈沖過大對功率開關(guān)器件以及電機(jī)造成損壞，需要我們對電流峰值進(jìn)行限定，因此可以采用電流斬波控制來獲取恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。圖45 CCC控制方式本次畢設(shè)采用的CCC 方式是通過設(shè)置斬波閾值，來限制相電流的上、下幅值。如此反復(fù)，最終使得相電流在給定值的附近上下波動。與后面的 PWM 方式相比，又具有了較小的開關(guān)損耗，因此是比較常用的控制方式。 脈寬調(diào)制控制（PWM）PWM方式中，脈沖周期固定，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比開調(diào)節(jié)加在繞組兩端的相電壓的值。同時D越大，則勵磁電流越大，SRG 的有效輸出電源也就越大。勵磁電流和占空比之間具有很好的線性關(guān)系，而且PWM信號的周期即為系統(tǒng)的調(diào)控周期，從而能夠獲得良好的動態(tài)性能。綜上所述，常常采用電流斬波控制方式對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行控制。其控制框圖如圖47所示。同時位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子的每相的實時位置信號θk。在內(nèi)環(huán)的電流環(huán)，參考電流iref與功率變換器的各相的實測電流ik進(jìn)行比較，比較后的結(jié)果經(jīng)過電流滯環(huán)，輸出的信號為各相主開關(guān)管的觸發(fā)信號，即輸出開關(guān)表。通過輸出的各相主開關(guān)的觸發(fā)信號來觸發(fā)功率管，實現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的勵磁和發(fā)電的交替進(jìn)行，源源不斷的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 穩(wěn)壓裝置開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓裝置采用PI調(diào)節(jié)器，但是由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本身具有的非線性的存在，使得PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp和ki的值很難通過計算的方法得到。通過反復(fù)的試湊，可以得到較為合適的kp值和ki值。 滯環(huán)控制器采用不對稱橋式功率變換器的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)中，當(dāng)采用傳統(tǒng)的電流斬波控制方法的時候，處于發(fā)電階段的相電流為不加控制的反壓續(xù)流狀態(tài)。它的第k相的繞組的發(fā)電階段和勵磁階段的控制過程如圖48所示【9】。STk(m)=1表示的是開關(guān)管 Tk1和開關(guān)管Tk2均導(dǎo)通的狀態(tài)；STk(m)=0表示的是開關(guān)管Tk1關(guān)斷而開關(guān)管 Tk2導(dǎo)通的狀態(tài)；STk(m)=1表示的是開關(guān)管Tk1和開關(guān)管Tk2均關(guān)斷的狀態(tài)；STk(m)=STk(m1)表示的是開關(guān)管Tk1和開關(guān)管Tk2均保持上一次的開關(guān)狀態(tài)不變的狀態(tài)。 （44） （45）其中：ε為脈動系數(shù)。 電壓指令發(fā)生器由于在原動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變的情況下，受材料、幾何尺寸以及散熱等條件的影響，磁鏈的大小幾乎與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此，為了保證發(fā)電階段的相同轉(zhuǎn)子位置下的相電流和額定轉(zhuǎn)速運行下狀況下的相同轉(zhuǎn)子位置下的相電流的大小相等，如果忽略了繞組電阻Rk，則磁鏈ψk表達(dá)式如下為： （46）其中：ψkmax為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的最大磁鏈； Uc*為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)所需的發(fā)電電壓穩(wěn)定值。由式(47)可以看出 （47）式中：ωe為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的額